AVR單片機的RTOS-AVRX應用
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隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統的設計及應用對人們的生活產(chǎn)生了很大的影響，并將逐漸改變人們未來(lái)的生活方式。在特定的操作系統上開(kāi)發(fā)應用程序，可以使開(kāi)發(fā)人員忽略掉很多底層硬件細節，使得應用程序調試更方便、易于維護、開(kāi)發(fā)周期縮短并且降低開(kāi)發(fā)成本，因而嵌入式操作系統深得開(kāi)發(fā)人員的青睞。
AVR微處理器是Atmel公司開(kāi)發(fā)的8位嵌入式RISC處理器，它具有高性能、高保密性、低功耗、非易失性等優(yōu)點(diǎn)，而且程序存儲器和數據存儲器可獨立編址，并具有獨立訪(fǎng)問(wèn)的哈佛結構。AVR單片機內核有豐富的指令集，通過(guò)32個(gè)通用寄存器直接與邏輯運算單元相連接，允許在一個(gè)周期內一條單一指令訪(fǎng)問(wèn)兩個(gè)獨立的寄存器，這樣的結構使代碼的執行效率比傳統的復雜指令集微處理器快了將近lO倍。
AVRX是由lbarello編寫(xiě)的源碼公開(kāi)的嵌入式操作系統，它專(zhuān)門(mén)針對AVR系列單片機的RTOS，具有免費和可以修改的特點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是由于做為一種專(zhuān)用的操作系統很難移植到其他平臺上。
1 AVRX系統的特點(diǎn)
AVRX做為AVR專(zhuān)用RTOS有如下的特點(diǎn)：
◆完全支持占先式、優(yōu)先級驅動(dòng)的任務(wù)調度算法；
◆16個(gè)優(yōu)先級，相同的優(yōu)先級的任務(wù)采用Round-robin調度算法輪流執行；
◆信號量可以用于信號傳遞、同步和互斥信號量，支持阻塞和非阻塞語(yǔ)法；
◆任務(wù)之間可以用消息隊列相互傳遞信息，接收和確認消息可以用阻塞和非阻塞調用；
◆在中斷子程序中，大部分非阻塞的中斷服務(wù)程序可以使用；
◆支持單個(gè)定時(shí)器的時(shí)間隊列管理，任何進(jìn)程都可以設置一個(gè)定時(shí)器，并且任何一個(gè)任務(wù)都可以等待定時(shí)器時(shí)間到；
◆支持單步調試運行著(zhù)的進(jìn)程；
◆程序空間小，包含所有功能的版本占用1000字節；
◆與定時(shí)器／計數器有關(guān)的一些事務(wù)可以用AVRX寫(xiě)成任務(wù)級代碼。
1．1任務(wù)
AVRX2．6為了支持c語(yǔ)言，保存了所有的32個(gè)寄存器。最小的上下文是32個(gè)寄存器、SREG和PC，總共35個(gè)字節。AvrxInitTask()函數給所有的寄存器初始化為0X00。只有進(jìn)程上下文保存在任務(wù)堆棧中，所有其他的使用(包括內核和中斷)保存在內核堆棧。這樣降低了第一個(gè)中斷的上下文切換和進(jìn)入內核API的SRAM消耗。隨后的中斷(如果允許中斷嵌套)嵌入內核堆棧，API不進(jìn)行上下文切換。
1．2信號量
信號量是SRAM指針，它們有三種狀態(tài)：PEND、WAITING和DONE。當一個(gè)進(jìn)程被一個(gè)信號量阻塞時(shí)，它處于WAITING狀態(tài)，多個(gè)任務(wù)可以排隊等候一個(gè)信號量。在后一種情況下，信號量可以看作互斥信號量。提供的AP函數如下：
AVRXSetSemaphore、AvrXIntsetSema-pore、AvrXWaitSemaplaore、AvrXTestSemapIlorc、AvrX-IntTestSemaphore和AvrxResetSemaphore。
1.3定時(shí)器
定時(shí)器控制塊(TCB)長(cháng)度為4(或6)個(gè)字節。它們管理一個(gè)16位計數值。定時(shí)器隊列管理器管理一個(gè)分類(lèi)的定時(shí)器隊列，每個(gè)都調整為所有計數器的和到其延時(shí)需要的值。提供的API函數如下：AvrXStartTimer、AvrXTim-erHandler、AvrXCancel Timer、AvrXWaitTimer、AvrX-TestTimer和AvrXDelay。
1.4消息隊列
消息隊列用消息控制塊(MCB)做為隊列首地址。任何進(jìn)程、中斷處理函數和多個(gè)進(jìn)程都可以等待消息。MCB的長(cháng)度是2或4個(gè)字節，消息可以認為是靈活性更大的信號量。提供的API函數如下：
AvrXSendMessage、AvrXIntSendMessage、AvrXRecvMessage、AvrXWaitMes-sage、AvrXAckMessage、AvrXTestMessage和AvrXWait-MessageAck。
1.5單步運行支持
通過(guò)重新匯編內核AVRX，可以允許和禁止單步運行的支持。單步運行可以通過(guò)編譯內核庫時(shí)定義下面的變量：#define SIGNALSTEPSUPPORT。在能夠單步運行以前，進(jìn)程必須先暫停。有兩種方法實(shí)現：一是僅僅初始化進(jìn)程但不使能；二是用目標進(jìn)程的ID調用AvrXSuspend，一旦目標進(jìn)程掛起，調試SPI就能使用了。提供的API函數有:AvrxStepNext和AvrXSin-gleStepNext。
1．6系統對象
AVRX是圍繞系統對象的概念而構建的。系統對象包括一個(gè)鏈接和其后面的0個(gè)或者若干個(gè)字節的數據信號量。進(jìn)程對象可以根據運行隊列和信號量排隊。計數器控制塊只能根據計數器隊列排隊。消息控制塊只能在消息隊列排隊。進(jìn)程根據嵌入對象的信號量等待這些對象。進(jìn)程堆棧中可用的SRAM是限制系統規模的主要因素，每個(gè)進(jìn)程都需要至少10～35字節的空間來(lái)存儲進(jìn)程上下文。提供的API函數如下：
AvrXSetObjectSama-phore、AvrXIntObjectSamaphore、AvrXResetObiectSama-phore、AvrXWaitObjectSamaphore、AvrXTestObjectSama-phore和AvrXInfTestObjectSamaphore。
1.7系統堆棧
AVRX需要足夠大的堆棧來(lái)處理所有可能的中斷嵌套。每次進(jìn)入內核將會(huì )把10～35字節壓進(jìn)堆棧(標準上下文和返回地址)，中斷處理可能壓進(jìn)去更多。AVRX的API會(huì )臨時(shí)壓入2個(gè)以上的字節。GCC或者匯編代碼定義于SRAM的頂部，保證AVRX的堆棧在有效SRAM空間之內是設計者的工作。
2 AVRX系統的應用
2．1 AVRX在不同型號AVR單片機上的移植
下面以ATmegM6為例，介紹移植工作。
(1)編譯器的選擇
由于AVRX的編者是在GNU推出的AVR-GCC編譯器下編寫(xiě)的，所以選用AVR-GCC編譯器可以大大提高AVRX在不同AVR單片機上的移植特性。
(2)重新編譯AVRX內核
為了將應用程序成功編譯，需要重新編譯AVRX內核，重新編譯包括下述步驟。
①重新修改AVRX源碼的Makefile文件，需要修改的幾處如下：
②重新修改AVRX源碼的serialio．S文件，即根據不同的單片機修改串口部分的寄存器定義。需要增添如下代碼：
③重新編譯內核。具體做法是復制一個(gè)“命令提示符”到AVRX目錄下，運行“命令提示符”，鍵入“makegcc”命令后運行就完成了AVRX內核的重新編譯，會(huì )生成很多的．o文件和avrx．a(chǎn)文件。這些文件在以后的應用程序中會(huì )使用。
至此就完成了AVRX在A(yíng)Tmegal6單片機上的內核移植，接著(zhù)就可以編寫(xiě)應用程序了。
2．2在A(yíng)VRX上編寫(xiě)應用程序
這時(shí)候要用一個(gè)新的makefile文件，同時(shí)自己的程序可以不和AVRX的內核在一個(gè)目錄，但是要指出依賴(lài)文件的明確路徑。makefile的框架可以采用Winavr的sam-ple文件夾下的makefile文件框架。這里的難點(diǎn)其實(shí)還是makefile文件的語(yǔ)法問(wèn)題。下面介紹應用程序的makefile文件在實(shí)例中需要修改或增加的代碼：
3 系統測試
3.1 系統實(shí)時(shí)性測試
在實(shí)時(shí)系統中，實(shí)時(shí)系統的實(shí)時(shí)性表現在系統對外部事件的響應能力上。系統通過(guò)中斷來(lái)響應外部事件的發(fā)生，并且在用戶(hù)中斷程序中做的事要盡量少，把大部分工作留給任務(wù)去做，只是通過(guò)信號量或者消息機制來(lái)通知任務(wù)運行。Mega16的定時(shí)器2設為比較匹配輸出模式，在匹配時(shí)間到了之后產(chǎn)生一定周期脈沖輸出，并產(chǎn)生中斷。設置定時(shí)器1為計數模式來(lái)計數產(chǎn)生的脈沖輸出。通過(guò)定時(shí)器2的比較匹配中斷服務(wù)子程序來(lái)發(fā)信號量通知任務(wù)運行，并在中斷子程序中不開(kāi)中斷，而在任務(wù)得到信號后開(kāi)中斷，以實(shí)現中斷處理與任務(wù)運行的同步。任務(wù)中對一個(gè)全局變量計數，以記錄任務(wù)執行的次數。運行一段時(shí)間后，在設置的匹配時(shí)間里，任務(wù)的運行次數和定時(shí)器1的計數一樣，則系統在這段時(shí)間里是能完全響應外部事件的。當定時(shí)器2的比較匹配時(shí)間設為大于23 μs時(shí)，2個(gè)計數是相等的；當小于23 μs時(shí)，定時(shí)器1計數值大于任務(wù)計數值，說(shuō)明任務(wù)沒(méi)有完全得到響應。這說(shuō)明中斷的進(jìn)入和返回即系統對外部時(shí)間的響應和處理時(shí)間為23 μs，遠遠大于其他操作系統在A(yíng)VR單片機上移植后的響應時(shí)間。
3．2應用例程測試
這里只對源文件中的幾個(gè)例程先進(jìn)行簡(jiǎn)單的編譯，然后去掉不必要的代碼，加入自己想測試的一些代碼，進(jìn)行了定時(shí)器控制模塊、信號量和消息隊列以其簡(jiǎn)單組合的測試，均在A(yíng)Tmega16上達到了預期的效果。
4 心得體會(huì )
①AVRX的源碼都是用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的，相對來(lái)講代碼效率很高，但是由于沒(méi)有詳細的API介紹文檔，所以最好的入門(mén)方法就是先讀懂RTOS的源碼和例程，然后進(jìn)行修改，再加上自己的代碼逐漸熟練應用。
②A(yíng)VRX需要分配的堆棧為35個(gè)字節加上任務(wù)代碼需要的額外堆棧，具體的大小取決于每個(gè)進(jìn)程用的本地變量個(gè)數。比較好的確定分配給任務(wù)堆棧大小的方法是：分配很大的堆棧(如70字節)，運行一段應用程序后看堆棧到多深(因為GCC啟動(dòng)時(shí)把所有內存都清0了，這樣很容易看到)。不過(guò)，為了安全起見(jiàn)，用編譯器或仿真器在估計堆棧的頂端寫(xiě)入幾個(gè)字節的0xFFFFF去驗證到底達到了多少字節，然后分配給比測試結果多兩個(gè)以上的字節給這個(gè)任務(wù)。
③啟動(dòng)的最后一個(gè)指令必須跳轉到Epilog()。
5 結論
AVRX是一個(gè)不錯的RTOS，最顯著(zhù)的特點(diǎn)就是內核小，速度快，編譯后大概只需500～700字節，且基本的調度功能一個(gè)也不少。由于其代碼公開(kāi)，結合不同型號AVR單片機的特性，可以在此基礎上進(jìn)行系統的裁減和擴展，使之能達到更好的效果。本文為AVR嵌入式系統的應用提供了借鑒。
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